Метод молекулярно-лучевой эпитаксии

АСМ и СТМ методы

Газофазная эпитаксия

Молекулярно-лучевая эпитаксия

Технология низкоразмерных систем

Лекция 2

В настоящий время существует большое количество видов низкоразмерных структур. Среди них можно выделить тонкие наноплёнки (с толщиной близкой к 1 нм), провода или нити атомарного масштаба, квантовые точки различных видов, низкоразмерные МДП структуры, гетеропереходы, дельта слои, сверхрешётки и другие. Для производства различных видов структур требуются различные технологические и методологические подходы. Рассмотрим какие методы создания низкоразмерных структур применяются на данный момент. Это:

- Субмикронная литография

- Методы самоорганизации

Разберём каждый метод более подробно.

Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) представляет собой усовершенствованную разновидность методики термического напыления в условиях сверхвысокого вакуума. Давление остаточных газов в вакуумной камере поддерживается ниже 1·10^-8 Па (~10^{-10 мм} рт.ст.).

Потоки атомов или молекул образуются за счет испарения жидких или сублимации твердых материалов, которые располагаются в источнике – эффузионной ячейке. Эффузионная ячейка представляет собой цилиндрический либо конический тигель диаметром 1-2 см и длиной 5-10 см. На выходе ячейка имеет крутое отверстие – диафрагму диаметром 5-8 мм. Для изготовления тигля используют пиролитический графит высокой чистоты либо нитрид бора BN.

Рис. 2.1 a) Схема установки молекулярно—лучевой эпитаксии: А — зона генерации молекулярных пучков, В — зона смешивания, С — зона кристаллизации. 1— нагреватель с прикрепленной подложкой 2, 3 — заслонка испарительной ячейки, 4-8 эфузионные ячейки (5-7 — основных компонент, 4,8 — легирующих примесей) б) Схема эфузионной ячейки: 1 — конический тигель из NB или пиролитический графит, 2 — градиентный нагреватель, 3 — тепловые экраны, 4 — испаряемое вещество, 5 — водяное охлаждение.

Потоки атомов (или молекул) необходимых элементов направляются на подложку и осаждаются там с образованием вещества требуемого состава. Схематическое изображение основных узлов установки МЛЭ приведено на Рис. 2.1. Количество эффузионных ячеек зависит от состава пленки и наличия легирующих примесей. Для выращивания элементарных полупроводников (Si, Ge) требуется одни источник основного материала и источники легирующей примеси n- и p-типа. В случае сложных полупроводников (двойных, тройных соединений) требуется отдельный источник для испарения каждого компонента пленки (например, для Al_xGa_1-xAs требуются отдельные источники Al, Ga, As). Температура эффузионной ячейки определяет величину потока частиц, поступающих на подложку, и тщательно контролируется. Управление составом основного материала и легирующих примесей осуществляется с помощью заслонок, перекрывающих тот или иной поток. Если в ходе выращивания структуры требуется резко менять концентрацию одной и той же примеси, то используют несколько источников этой примеси при разной температуре эффузионной ячейки. Однородность состава пленки по площади и ее кристаллическая структура определяются однородностью молекулярных пучков. В некоторых случаях для повышения однородности подложка с растущей пленкой постоянно вращается.

Наличие высокого вакуума в камере роста полупроводниковой пленки при МЛЭ позволяет использовать различные методы контроля для определения параметров растущей пленки. В различных сочетаниях в установках МЛЭ использовались методы отражательной дифракции медленных электронов, электронная оже-спектроскопия, масс-спектроскопия вторичных ионов, рентгеновская электронная спектроскопия, эллипсометрия и другие оптические методы.

Дифракция медленных электронов является чувствительным методом исследования поверхностной структуры, микроструктуры и степени гладкости. Она используется также для контроля за изменением структуры верхних атомных слоев и для наблюдения топографии поверхности (особенно на ранних стадиях роста).

Метод электронной оже-спектроскопии используется для изучения химического состава поверхности подложки, определения химического состава растущего слоя, наблюдения за обогащением поверхности примесями (при условии концентрации примеси более 1% от числа поверхностных атомов), но метод недостаточно чувствителен для изучения типичных уровней легирования в полупроводниковых приборах порядка одной миллионной.

Масс-спектроскопия вторичных ионов служит мощным методом определения химического состава внешних атомных слоев твердого тела. Он обладает более высокой чувствительностью, чем оже-спектроскопия.

Эллипсометрия позволяет контролировать толщину пленок, отличных по составу от подложки. Другие оптические методы обеспечивают контроль за интенсивностью молекулярных пучков.

В целом установка МЛЭ является сложным устройством со множеством контролируемых параметров. Поэтому современные установки МЛЭ управляются обычно мощными компьютерами.

Выбор подложки для нанесения пленки определяется типом квантово-размерной структуры, которую необходимо получить. Эпитаксиальное наращивание пленки для получения гетероструктуры с двумерным электронным газом или сверхрешетки требует согласования постоянных решетки для предотвращения образования дислокаций несоответствия. Создание же нуль-мерных структур за счет эффектов самоорганизации, наоборот, предполагает наличие рассогласования решеток для появления механических напряжений. Выращивание высококачественных эпитаксиальных слоев методом МЛЭ требует тщательности в подготовке подложек, поскольку в методе МЛЭ, как правило, не используется очистка поверхности в самой камере роста, за исключением удаления окисных слоев.

Введение примесей при МЛЭ обычно осуществляется с помощью дополнительных эффузионных ячеек, содержащих необходимый легирующий элемент. Многие примеси, используемые при других формах эпитаксии, оказываются неподходящими для МЛЭ. В процессе МЛЭ успешно используются лишь те легирующие материалы, атомы которых быстрее связываются с поверхностью, чем испаряются с нее. Результирующие электрические и оптические свойства пленокзависят от соотношения потоков основных элементов и потока примеси, температуры подложки, а также характера реального встраивания примеси в решетку и степени их электрической активности. Наиболее важными проблемами для большинства: примесей являются накопление их на поверхности, десорбция, образование на поверхности соединений, образование комплексов и автокомпенсация. Наиболее изучены к настоящему времени примеси в GaAs. Акцепторными свойствами, наиболее приемлемыми в GaAs, обладают бериллий и магний. Германий обладает амфотерными свойствами, и его практическое применение ограничивается необходимостью тщательного выбора и поддержания температуры подложки и соотношения потоков мышьяка и галлия. Наиболее удачной легирующей примесью является бериллий. Он позволяет получать p-GaAs с концентрацией до 2∙10²⁰ см ^-3. При введении Be не возникает сегрегации или аномальной объемной диффузии примеси. Концентрация активных акцепторов оказывается прямо пропорциональной температуре эффузионной ячейки, т. е. давлению пара Be. Каждый атом Be создает активный акцептор с уровнем, лежащим на 30 мэВ выше края валентной зоны.

Донорными свойствами в GaAs обладают кремний, олово, сера и селен. Германий, как амфотерная примесь, при определенных условиях тоже позволяет получить n-тип проводимости. Удобной примесью является олово. Концентрация активных доноров прямо пропорциональна потоку Sn в молекулярном пучке и может быть доведена до 5·10¹⁹ см^-3. Однако его существенным недостатком является скапливание при МЛЭ у растущей поверхности GaAs. По этой причине наиболее предпочтительной примесью донорного типа является кремний. Он обеспечивает концентрацию дырок в GaAs до 1.3·10¹⁹ см^-3.

В заключение отметим основные характеристики метода МЛЭ:

1) малая скорость роста, порядка 1 мкм/ч;

2) относительно низкая температура роста (температура подложки):

3) возможность резкого прерывания и возобновления роста за счет использования механических заслонок вблизи эффузионных ячеек для всех компонентов;

4) возможность введения различных парообразных компонентов для изменения состава слоя и управления концентрацией примесей путем введения дополнительных источников, создающих требуемые пучки молекул или атомов;

5) наличие атомно-гладкой поверхности растущего кристалла при эпитаксиальном росте;

6) возможность анализа и контроля в ходе роста.

Дата добавления: 2014-01-11